Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

В начале 2002 года наша первая книга «Микроконтроллеры семейства 68НС12: Теория и применение» была издано издательством Prentice Hall. Нашими целями были: представить основы программирования на ассемблере; проиллюстрировать работу отдельных блоков в составе микроконтроллера и представить методы сопряжения различных внешних устройств с микроконтроллерами. В качестве примера мы использовали автономный мобильный робот для иллюстрации совместной работы микроконтроллера во встраиваемой системе.

Наша вторая книга, посвященная встраиваемым микропроцессорным системам «Разработка и применение встраиваемых систем на основе микроконтроллеров семейства 68HC12 и HCS12», охватывает проблемы не раскрытые в первой книге. Нашей целью в ней было разработать учебное пособие по проектированию встраиваемых систем. Мы постарались провести читателя от основ системного программирования через применения операционных систем реального времени к решению задач распределенного управления. Вместо того, чтобы «нырнуть на глубину в бассейн» мы начали с обучения концепциям системного проектирования и программирования на языке С. Затем мы двинулись к обсуждению специфического аппаратного обеспечения, реализованного на кристаллах микроконтроллеров семейств 68HC12/HCS12. В начале этих глав мы придерживались идеологии «ходьбы перед бегом». Мы предполагали, что читатель имеет фундаментальные, но базовые знания по организации программно–аппаратного обеспечения микроконтроллеров. Мы считаем это правильным подходом, поскольку целевой аудиторией для книги являются студенты учебных заведений вовлеченные во второй цикл обучения разработки встраиваемых систем. Темы обучения в начальных главах книги могут быть пропущены инженерами с опытом. Однако мы получили много пожеланий от таких инженеров на включении этого материала в книгу.

Имея такой задел, мы затем перешли к рассмотрению большого количества примеров встраиваемых систем. Примеры были выбраны таким образом, чтобы читатель познакомился с разнообразными примерами сопряжения различных устройств ввода–вывода с системой. В завершении книги рассматриваются такие разделы, как операционные системы реального времени (RTOS) и мультипроцессорные системы. Мы коснулись этих сложных тем только после того как рассмотрели основы микропроцессорных и встраиваемых систем.

Мы имели несколько целей при написании этой книги.

1. Мы хотели, чтобы читатель приобрел навыки программирования как на языке ассемблера, так и на языке С при разработке встраиваемых систем управления на основе микроконтроллеров.;

2. Изложить методические аспекты проектирования встраиваемых систем;

3. Представить функциональное аппаратное обеспечение микроконтроллеров;

4. Раскрыть методы сопряжения с микроконтроллерами различных периферийных устройств при создании встраиваемых систем;

5. Рассмотреть технологии по решению узких мест при разработке встраиваемых систем, связанные с применением применением операционных систем реального времени, а также многопроцессорных систем.

Все содержание книги построено с учетом этих целей. Наша мотивация по написанию этой книги исходила из того, что на моменте ее подготовки не существовало всестороннего учебника для студентов по семействам 68HC12/HCS12, рассматривающего процесс разработки и программирования встраиваемых систем на микроконтроллерах.

Мы предприняли попытку практической ориентации книги с сильным упором на обучение и многочисленными практическими примерами. Основанные на реальных применениях, эти примеры сфокусированы на приобретение навыков по разработке встраиваемых систем, методов синхронизации и подавлению шумов, а также способов отыскания неисправностей. Книга представляет обзор языка программирования Си, методов структурного программирования, микроконтроллеров семейств 68HC12/HCS12, детальное обсуждение проблем RTOS, многопроцессорных систем и иллюстрацию концепций разработки встраиваемых систем.

Вначале книги мы представляем читателю концепции структурной разработки систем. Используя подход функционального разбиения системы сверху вниз, студенты будут в состоянии понять любые проблемы связанные со сложностью структуры встраиваемых систем. Мы коснулись некоторых принципов системного подхода к разработке, описанного Meilir Page–Jones в его классической книге «Practical Guide to Structured Systems Design». Эти методы работают в равной степени хорошо при разработке программного, аппаратного и программно–аппаратного обеспечения встраиваемых систем. Однажды их представив, мы их активно используем в дальнейшем во всей книге.

Структура книги

В каждой главе мы подробно представляем последовательность и значение описываемых разделов. Каждая глава начинается с описания целей поставленных нами при изложении материала. Это позволяет читателю ясно представлять задачу при чтении главы. После представления основных концепций главы, на конкретном примере рассматриваются применение ключевых понятий и технологий.

В первой главе мы представили понятие встраиваемых систем и специфические проблемы связанные с их разработкой и применением. Глава 2 описывает преимущества программирования на языках высокого уровня — High Level Language (HLL). Мы сбалансировали обсуждение методов программирования на языке ассемблер и HLL и показали, что программы для встраиваемых систем могут содержать оба подхода. Мы обсудили ключевые концепции структурного программирования, позволяющие разбить большие проекты на более понятные и легко реализуемые части. Затем мы применили эти понятия на этапах разработки, реализации и тестирования систем. Мы дали почувствовать читателю некую комфортность использования такого подхода на примерах простых систем прежде чем переходить к более сложным случаям.

В главе 3 мы рассматриваем процесс программной/компиляции/ассемблирования анализируя принципы программирования на языке С. В завершении главы рассматриваются методы и средства программирования и отладки программ. При рассмотрении проблем программирования мы намерено ушли от любых специфических особенностей компиляторов. На сегодняшний день существуют очень много доступных компиляторов для семейств 68НС12/HSC12. В четвертой главе мы описываем структуру семейств 68НС12/HSC12 и их отдельных представителей. В дальнейшем мы иллюстрируем их применение в реальных системах управления.

В главе 5 мы изучаем методы сопряжения внешних устройств с микроконтроллерами. Анализ начинается с простых примеров подключения переключателей и индикаторов и заканчивается такими более сложными устройствами как жидко–кристаллические дисплеи. Шестая глава развивает методы сопряжения микроконтроллеров с устройствами реального мира. В ней разделяются теоретические проблемы построения встраиваемых систем от проблем реально работающих систем. Каждая проблема вначале определяется, а затем подкрепляется методами ее практической реализации.

В главе 7 мы помещаем микроконтроллеры 68НС12/HSC12 в реальные системы. В каждом примере мы обеспечиваем сквозное описание проекта, алгоритм работы и код, необходимый для реализации системы. Мы скрупулезно подошли к подбору примеров так, чтобы все они были реализуемы на микроконтроллерах семейства 68НС12/HSC12. В восьмой главе мы рассмотрели проблемы применения операционных систем реального времени. Мы начали с определений RTOS, а затем перешли к обсуждению возможностей их реализации. В дальнейшем мы рассмотрели проблемы, связанные с реализацией RTOS. Мы предполагали, что читатель не имеет практического опыта работы с системами подобной сложности.

Глава 9 рассматривает распределенные системы. Такие системы содержат более одного микропроцессора в своей структуре. Мы представили методы и подходы, позволяющие сопрягать их в систему, используя встроенный CAN контроллер в семейства 68НС12/HSC12.

В дополнение к содержанию книги мы подготовили и поддерживаем справочный веб-сайт www.prenhall.com/pack. Он содержит справочную информацию по семействам 68НС12/HSC12, файлы программ на С, и программно–аппаратные средства поддержки микроконтроллеров семейства 68НС12/HSC12. Для преподавателей этот веб-сайт также содержит дополнительный материал включая лекционные слайды в Power Point и рекомендации как заказать информацию по всем решениям задач, представленных во всех домашних заданиях в каждой главе.

Учебные системы

Для иллюстрации системных принципов в главах с 1 по 9 мы рассматривали многочисленные примеры. Примеры были разработаны для двух учебных систем: отладочной платы M68HС912B32EVB (B32EVB) и для MC9S12DP256 или DP256. Мы выбрали отладочную плату В32EVB ввиду ее широкого распространения, разумной цены и что наиболее важно ее многими полезными функциями. EVB имеет интерфейс RS–232, работает от одного источника питания, имеет легкий доступ к основным контрольным точкам через четыре группы разъемов и монтажное поле для размещения дополнительной схемотехники при анализе систем. EVB также имеет хороший набор функций памяти, включающий в себя 32Кбайт электрически перепрограммируемой флэш памяти программ (EPROM), 1Кбайт ОЗУ и 768 байт побайтно стираемой EEPROM для записи данных. Во флэш памяти расположен резидентный монитор/отладчик программ D–Bug12. Мы опишем в деталях все отмеченные свойства в гл. 4. В32 является отличным учебным средством, но оно может быть также успешно использована для реализации прототипов отлаживаемых систем.

Читатели, которые не намерены использовать B32 EVВ, могут быть уверены, что большинство из рассмотренных в книге примеров могут быть реализованы на других вариантах отладочных средств семейств 68НС12/HSC12.

Поскольку базисные концепции и функциональные блоки различных микроконтроллеров практически идентичны друг другу, то полученные знания семейств 68НС12/HSC12 могут быть естественным образом применены и для других микроконтроллеров. В гл.7 и 9 мы используем микроконтроллер MC9S12DP256. HCS12 микроконтроллер имеет 256 К байт флэш память, несколько каналов msCAN интерфейсов с соответствующими контроллерами. Он также имеет большой объем ОЗУ. В распоряжении разработчиков имеются различные типы отладочных плат.

Целевая аудитория

Основной аудиторией для книги являются студенты университетов, изучающих курс вычислительные микропроцессорные системы. Поскольку все ABET (Acredittion Board for Engineering and Technology, Inc) требуют наличия такого курса в своих программах, мы надеемся, что преподаватели этих дисциплин будут активно использовать данную книгу в своей практике. Мы ожидаем также, что студенты первого года обучения языков программирования найдут эту книгу для себя также полезной. Владение темой языков программирование позволит студентам легко разобраться с приведенными в книге примерами. В идеале студенты будут имеет полный курс введения в микроконтроллеры. Однако ввиду экспериментальной направленности книги студенты должны будут самостоятельно заполнить пробелы в знаниях там где это будет необходимо.

Основной упор в книге делается на второй семестр курса микроконтроллеры/микропроцессоры программы электротехнического и вычислительного цикла дисциплин. Разные учебные заведения предлагают микропроцессорный цикл на различных этапах обучения студентов. Наши студенты слушают базовый курс по цифровой технике на первом году обучения. После этого они изучают первую часть курса микропроцессорных систем. В завершении, вторую часть микропроцессорного курса они слушают на последних годах обучения. Мы надеемся, что данная книга будет востребована студентами на втором этапе обучения после освоения первого этапа изучения микроконтроллеров.

Мы написали эту книгу для применения ее в качестве учебного пособия для учебных заведений, читающих цикл микропроцессорной техники. В тоже время мы надеемся, что практическая направленность материала будет полезна инженерам для самостоятельного изучения раздела. Мы уверены, что знания о встраиваемых системах будут все больше и больше востребованы для все более широкой аудитории студентов электротехнических и электронных специальностей. Мы живем в обществе где все больше инженерных проблем решается с помощью встраиваемых систем. Мы предвидим, что скорость внедрения встраиваемых систем будет увеличиваться с ростом требований к интеллектуальности локальных систем.

Благодарности

Эта книга является совокупным трудом многих специалистов. Конечно же ни одна хорошая книга не может появится без выдающегося издателя и его команды. Мы благодарны Tom Robbins и Alice Dworkin из Prentice Hall за их веру в проект. Было большим удовольствием работать с Kevin Bradley и его сотрудниками из Sunflower Publishing Services. Мы благодарны им за их отличную редакторскую работу. Мы высоко оцениваем отзыв и обратную связь от Barry Mullins из Air Force Institute of Technology. В результате всех этих усилий содержание книги значительно улучшилось. Мы также высоко ценим дельные замечания и обратную связь, полученную по окончательной версии книги от Jerry Hamman из University of Wyoming; John Reece из Mercer College из Macom, Georgia и William Stapleton из University of Alabama. Мы также очень благодарны Karen Bosco из Motorola за ее помощь в получении разрешении от Motorola использовать рисунки в книге.

Мы признательны руководству нашего факультета за их поддержку. Colonel Alan Klayton (USAF Academy) постоянно поддерживал нашу работу и и осуществлял многостороннюю помощь. John Steadman (ранее работавший в University of Wyoming, а в настоящее время декан электротехнического факультета в University of South Alabama), активно воодушевлял нас на написание этой книги. Мы благодарны большому количеству студентов вовлеченных в учебный процесс по курсам микропроцессорной технике в отмеченных выше университетах. Их обратная связь оказала нам большую помощь в изложении материала книги. Abbie Wells, Scott Lewis, Joel Perlin, Carrie Hernanddez, Ted Dibble, Tom Schei, Charles Straley, Pamela Beavis и Austin Griffith из университета Wyoming написали ряд программ в примерах и оказали значительную помощь в переходе от семейства от семейства 68НС11 к семейству НС12. В дополнении к этому мы хотели бы поблагодарить многих наших коллег из Air Force Academy и University of Wyoming.

Ряд примеров, представленных в книге базировались на нашем опыте работы на факультетах электротехники в отмеченных ранее университетах. Несмотря на то, что мы старались исправить все допущенные ранее ошибки, книга может содержать еще не выявленные, что может еще сказаться на работе программ.

Я хотел бы еще отметить Glarence Zarn, очень дорогого друга семьи, из–за влияния которого я стал инженером. Когда я был еще ребенком, моя семья проводила много отпусков с семьей Zarns. Меня брали в офис Clarence, полный книг, справочников, схем и плакатов, иллюстрирующих многообразный мир техники. В то время Clarence работал инженером и был вице-президентом компании Pentzien Corporation of Omaha, Nebraska в течение долгого времени. Недавно он подарил мне свою логарифмическую линейку (1940), которой он пользовался долгие годы. Я буду хранить ее всегда. Он повторял, что инженерная работа была и всегда останется востребованной. Большое спасибо моим родителям. Спасибо моим бабушкам Eleonore и Jackie, а также дедушке Frank за постоянную веру в меня. Спасибо Young Shin и Rana и Sung Bock и Chong Kon за мотивацию и постоянную поддержку. Особая благодарность моему отцу за воодушевления меня на этот труд, в то время когда он сам боролся с раком. В заключении хочется отметить, что эта работа не могла бы осуществиться без поддержки членов нашей семьи: Cindy, Heidi, Hearther, Jon R., Christine, Jon B., Andrew и Graham. Примите нашу благодарность.